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摘要：本文结合杭州武林广场地下商城工程，简要介绍了支护结构与主体结构全面结合的盖挖逆作法中间桩、柱的设计过程。
关键词：盖挖逆作法、钢管混凝土柱、AM工法桩、抗拔桩。
Abstract: this paper combine Hangzhou Martial Arts Plaza Mall project, briefly introduces the topdown middle pile, column design process of the supporting structure and the main structure comprehensive combination.
Key words: topdown, concrete filled steel tube column, AM pile, uplift pile.
中图分类号：TV543+.83 文献标识码：A文章编号：
前言：盖挖逆作法分为周边临时围护体结合坑内水平梁板体系替代支撑和支护结构与主体结构全面结合的支撑体系两类，支护结构与主体结构全面结合即围护结构采用“两墙合一”地下连续墙，既作为基坑的围护结构又作为地下室的外墙；地下结构的水平梁板体系替代水平支撑，结构的立柱和立柱桩作为竖向支承系统，自上而下逆作施工，在基础底板施工后，再自下而上施工未完成部分的结构。此作法的优点是水平支撑刚度较大，挡土安全性高，围护结构和土体的变形小，对周围的环境影响小；已完成的地面层可作为材料堆置和施工作业场地；避免了大量采用临时支撑的浪费现象，工程经济效益显著。此作法的适用范围如下：（1）大面积的地下工程，边长大于100m；（2）大深度的地下工程，大于或等于2层的地下室工程更为合理；（3）周边状况苛刻，对环境影响要求很高的地下工程；（4）地下空间较小和上部结构工期要求紧迫的地下工程。
基坑工程中的支护结构包括围护结构、水平支撑体系和竖向支承体系。本文结合杭州武林广场地下商城工程简要介绍支护结构与主体结构全面结合的盖挖逆作法竖向支承体系的立柱、立柱桩的设计过程。
工程概况及开挖方案的选择：
武林广场地下商场项目位于武林广场地块内，项目南北向长约190米，东西向长约220米。地下共三层，其中地下一、二层为商场，地下三层为停车库及地铁区间，地面以上为广场景观及绿化，局部设有下沉广场，地下室顶板覆土厚度1.5m~2.5m。结构体系为框架结构，大部分柱网尺寸为9mx9m。该地块北侧緊临浙江省展览馆(最小净距17.0m)；东面为浙江省电信分公司(最小净距30.0m)；西侧为杭州大厦及杭州剧院(最小净距为33.6m)；南侧为体育场路，东北角为地铁武林广场站，车站站厅层与本项目地下二层相接。已建成的地铁1号线明挖区间以及与本工程同期实施的地铁3号线隧道区间均在本工程地下三层穿过。地下三层的层高分别为：地下一层6m，地下二层5.4m，地下三层除地铁1号线及3号线区间以及区间之间的部分，层高为7.5m。两区间之间的部分层高5.2m，已建成的地铁1号线区间总高约13m，地铁3号线区间总高约13m。
场地范围内的土层为4m~6m杂填土、0.3m~2m粉土、21m~24m流塑状淤泥质粉质粘土、10m~14m可塑~硬可塑粉质粘土，基岩为白垩系的泥质粉砂岩、侏罗系的凝灰岩。
本工程场地浅部地层的地下水性质属松散孔隙型潜水,水位埋深在现地表下2.50～5.00m；场地中部为微承压水，水头埋深约在地表下6.25mm, 其对地下室施工及使用有一定影响，场地深部为基岩裂隙水,其对工程建设和使用基本无影响。本工程抗浮设计水位为6.00m。
武林广场地下商城工程基坑周边环境平面图
本工程为单纯的地下结构，基坑规模大，南北向长约190米，东西向长约220米；基坑深度大，三层地下室，基坑深度为23m~27m；基坑场地紧凑，建筑范围与用地红线基本一致，地块周边施工场地紧张；基坑周边环境复杂敏感，临近大量管线及省级重点保护建筑浙江省展览馆；且已建成的地铁一号线隧道区间在本工程地下三层穿过，该区间将于2012年10月投入运营，对区间隧道的保护
为本基坑工程开挖关键点之一；基坑开挖范围内存在较厚的淤泥质土，土体性质差；基于以上原因采用盖挖逆作法是本工程基坑开挖的最佳方法。但若采用全逆作方案，利用结构梁板作为支撑，支撑刚度较大，有利于保护周边环境，但基坑内的土方全部采用暗挖，对施工要求较高，出土口面积较小或者数量不够时降低了出土效率，本工程土方量约为84万方，土方开挖为制约工期的重要因素，所以结合本工程的平面布置，采用盖挖逆作与明挖顺作相结合的方法。下面介绍本工程盖挖逆作部分竖向支承体系的立柱及立柱桩的设计过程。
立柱的设计
竖向支承体系设计的最关键问题是如何将在主体结构柱位置设置的钢立柱和立柱桩与主体结构的柱子和工程桩有机的进行结合，使其能够同时满足基坑逆作实施阶段和永久使用阶段的要求。本工程采用支护结构与主体地下结构柱及工程桩全面结合的立柱和立柱桩（一柱一桩）的形式。“一柱一桩”是最基本的竖向支承系统形式，它构造简单，施工相对便捷，在基坑开挖施工结束后可以全部作为永久的结构构件使用，经济性相当好。“一柱一桩”布置时，立柱和立柱桩的定位应与主体结构的柱和工程桩的定位一致。
在基坑逆作开挖实施阶段，立柱和立柱桩承受已浇筑的主体结构梁板自重和施工超载等荷载，本工程施工超载的取值地下一层顶板取50Kpa（考虑大型挖机施工荷载及堆土荷载），地下二、三层顶板取10 Kpa（考虑小型挖机施工荷载）。立柱的形式一般为型钢格构柱和钢管混凝土柱，型钢格构柱在施工期间单独承受结构自重及施工荷载，使用阶段在钢格构柱外配置框架柱钢筋并浇筑混凝土，形成型钢混凝土组合柱，这种作法适用于柱轴力不超过6000kN的情况；钢管混凝土柱采用在钢管中浇筑高强度混凝土，施工便捷、承载力高且经济性好。本工程施工阶段柱底最大轴力的设计值约为：11000 kN，如采用钢格构柱，将导致使用阶段最终完成的框架柱截面过大，影响地下室车位的布置，所以本工程采用钢管混凝土柱。
钢管柱需要在基坑开挖前置入立柱桩孔中，安装完成进行钢管柱内的混凝土浇筑，当混凝土达到一天强度后，用黄砂或碎石填充钢管柱四周至柱顶。在基坑开挖阶段逐层与水平支撑构件（结构的梁、板）完成连接，水平支撑的荷载是由上而下逐步施加于立柱上，立柱承受的荷载逐渐加大，但跨度逐渐减小，应根据实际工况对立柱承载力及稳定性计算,确定钢管混凝土柱尺寸及壁厚。只需验算最底层一跨的立柱的承载能力。同时，基坑开挖到坑底、底板尚未浇筑前，最底一层钢立柱在承受最不利荷载的同时计算跨度也相当大，一般情况下，该工况是钢立柱的最不利工况。经计算，本工程采用直径800mm钢管混凝土柱，钢管壁厚14mm，材质为Q345。基坑逆作施工阶段，在地下室底板浇筑完成、逆作阶段结束以后，与底板连接成整体，作为地下室结构的一部分，将上部结构的荷载传递给立柱桩。
永久使用阶段的受力是施工阶段受力的继续，施工阶段由于柱中心的定位误差、桩身倾斜、基坑开挖时产生位移等，会产生立柱中心偏离设计位置的情况。根据《钢管混凝土结构设计与施工规程》的要求，钢立柱垂直偏差不宜大于1/1000，最大不大于15mm，此规定应用于顺作的钢管柱比较适合；对盖挖逆作的钢管柱来说，很难达到此标准，根据以往工程经验，钢立柱垂直偏差取1/500(30mm)。按照偏心受弯构件进行设计计算。立柱的截面构造应尽量简单，与水平支撑体系的连接节点应便于现场施工。永久使用阶段的荷载取值、柱桩的设计同常规主体结构。
立柱桩的设计
逆作施工阶段，立柱桩必须具备较高的抗压承载能力，同时立柱需要与其下部的立柱桩具有可靠连接，因此工程中多采用大直径的钻孔灌注桩将立柱承担的竖向荷载传递给地基。立柱桩的设计方法与主体结构工程桩相同，立柱桩与土的摩阻力和端阻力承受上部荷载。包括承载力和沉降计算以及立柱与立柱桩的连接节点设计。
本工程结构自重及施工荷载，逆作部分框架柱底最大轴力8600kN，合并考虑基础自重，单桩抗压承载力需要达到11500kN，本工程桩基持力层主要为12-3层中风化泥质粉砂岩和13-3层中等风化晶屑熔结凝灰岩层，有效桩长约28m，若采用直桩，则直径要达到2m。
永久使用阶段，本工程地下水位较高，抗浮水位为6.00m， 施工期间受压的桩转换受力状态为抗拔桩，所以本工程采用大直径扩底桩(AM工法桩)，桩径1.6m，扩底直径2.6m（两次扩底），单桩抗压承载力特征值为12000KN,抗拔承载力特征值为6000KN 。 经过计算分析，满足施工期间抗压要求的桩，使用阶段其抗拔力无法满足抗浮的要求，因此需要加大桩直径或者增加小直径桩解决结构的抗浮问题。如通过调整桩径的方式增加单桩抗拔承载力，AM桩的桩径需达到2m，扩底直径达到3.2m，由于AM桩单方造价较高，与增加小直径桩的方案相比，经济性能差。本工程选用大直径AM工法桩结合小直径扩底桩的方案抗浮，经计算小直径的桩径为0.8m，扩底到1.3m，桩长及持力层同AM桩，单桩抗拔承载力特征值2000kN。
竖向支承系统的连接构造
与水平支撑系统的连接
钢管混凝土柱与后浇梁板的节点连接形式主要有以下两种：（1）双梁结构连接，采用在钢管柱两侧设置钢构牛腿，沿柱两侧分别设纵梁与牛腿刚性连接。这种连接方法的优点是纵梁钢筋能够沿柱两侧贯通而不需断开，受弯性能好。（2）通過抗拉钢板与抗剪钢板连接，通过在钢管柱外套钢套箍，通过高强螺栓与钢管柱连接，钢套箍外焊接抗拉钢板，后浇混凝土的梁、板钢筋遇钢管柱断开，焊接到抗拉钢板和抗剪钢板上，这种节点的优点是整体性好，缺点是节点复杂，施工速度慢。本工程柱网布置比较均匀，所以采用双梁结构连接。
梁柱连接节点图
立柱与立柱桩的连接
常规的钢管柱安装是在支承桩混凝土灌注前安装一个与支承桩直径相同的钢套管，等浇筑的支承桩混凝土达到70%强度后，抽除钢套管内泥浆，采用人工下孔破除桩顶混凝土至永久性钢管柱底标高，定位器安装完毕再安装钢管柱。该施工方法施工周期长、工序复杂，且施工过程中工人要下到孔底进行混凝土的凿除及定位器安装，存在诸多不安全因素，单根钢管柱施工周期长达10～20天，施工成本也较高，存在一定的局限性。
本工程采用HPE液压垂直插入钢管柱工法，通过HPE液压垂直插入机机身上的两个液压垂直插入装置，在支承桩混凝土浇筑后、混凝土初凝前将底端封闭的永久性钢管柱垂直插入支承桩混凝土中，根据钢管柱下部安装的位移传感器反映到电脑上的信号来检测钢管柱的垂直度，保证插入钢管柱的垂直度符合要求，垂直度可达1/500～1/1200，直到插入至设计标高。此工法无需人工下孔作业，首先在很大程度上降低了安全风险； 提高钢管柱安装施工效率，缩短施工工期；
施工中不需长钢护筒护壁，也不用人工埋设定位器等，因而降低了投资成本。
钢管混凝土柱与AM桩连接节点
总结
支护结构与主体结构全面结合的盖挖逆作法工程竖向支承系统受力与施工步序和施工方法密切相关，应按照施工步序分工况进行计算；而且使用阶段的受力是施工阶段受力的继续，在永久使用阶段应考虑在施工过程中产生的内力和变形的影响。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：盖挖逆作法、钢管混凝土柱、AM工法桩、抗拔桩。
Abstract: this paper combine Hangzhou Martial Arts Plaza Mall project, briefly introduces the topdown middle pile, column design process of the supporting structure and the main structure comprehensive combination.
Key words: topdown, concrete filled steel tube column, AM pile, uplift pile.
中图分类号：TV543+.83 文献标识码：A文章编号：
前言：盖挖逆作法分为周边临时围护体结合坑内水平梁板体系替代支撑和支护结构与主体结构全面结合的支撑体系两类，支护结构与主体结构全面结合即围护结构采用“两墙合一”地下连续墙，既作为基坑的围护结构又作为地下室的外墙；地下结构的水平梁板体系替代水平支撑，结构的立柱和立柱桩作为竖向支承系统，自上而下逆作施工，在基础底板施工后，再自下而上施工未完成部分的结构。此作法的优点是水平支撑刚度较大，挡土安全性高，围护结构和土体的变形小，对周围的环境影响小；已完成的地面层可作为材料堆置和施工作业场地；避免了大量采用临时支撑的浪费现象，工程经济效益显著。此作法的适用范围如下：（1）大面积的地下工程，边长大于100m；（2）大深度的地下工程，大于或等于2层的地下室工程更为合理；（3）周边状况苛刻，对环境影响要求很高的地下工程；（4）地下空间较小和上部结构工期要求紧迫的地下工程。
基坑工程中的支护结构包括围护结构、水平支撑体系和竖向支承体系。本文结合杭州武林广场地下商城工程简要介绍支护结构与主体结构全面结合的盖挖逆作法竖向支承体系的立柱、立柱桩的设计过程。
工程概况及开挖方案的选择：
武林广场地下商场项目位于武林广场地块内，项目南北向长约190米，东西向长约220米。地下共三层，其中地下一、二层为商场，地下三层为停车库及地铁区间，地面以上为广场景观及绿化，局部设有下沉广场，地下室顶板覆土厚度1.5m~2.5m。结构体系为框架结构，大部分柱网尺寸为9mx9m。该地块北侧緊临浙江省展览馆(最小净距17.0m)；东面为浙江省电信分公司(最小净距30.0m)；西侧为杭州大厦及杭州剧院(最小净距为33.6m)；南侧为体育场路，东北角为地铁武林广场站，车站站厅层与本项目地下二层相接。已建成的地铁1号线明挖区间以及与本工程同期实施的地铁3号线隧道区间均在本工程地下三层穿过。地下三层的层高分别为：地下一层6m，地下二层5.4m，地下三层除地铁1号线及3号线区间以及区间之间的部分，层高为7.5m。两区间之间的部分层高5.2m，已建成的地铁1号线区间总高约13m，地铁3号线区间总高约13m。
场地范围内的土层为4m~6m杂填土、0.3m~2m粉土、21m~24m流塑状淤泥质粉质粘土、10m~14m可塑~硬可塑粉质粘土，基岩为白垩系的泥质粉砂岩、侏罗系的凝灰岩。
本工程场地浅部地层的地下水性质属松散孔隙型潜水,水位埋深在现地表下2.50～5.00m；场地中部为微承压水，水头埋深约在地表下6.25mm, 其对地下室施工及使用有一定影响，场地深部为基岩裂隙水,其对工程建设和使用基本无影响。本工程抗浮设计水位为6.00m。
武林广场地下商城工程基坑周边环境平面图
本工程为单纯的地下结构，基坑规模大，南北向长约190米，东西向长约220米；基坑深度大，三层地下室，基坑深度为23m~27m；基坑场地紧凑，建筑范围与用地红线基本一致，地块周边施工场地紧张；基坑周边环境复杂敏感，临近大量管线及省级重点保护建筑浙江省展览馆；且已建成的地铁一号线隧道区间在本工程地下三层穿过，该区间将于2012年10月投入运营，对区间隧道的保护
为本基坑工程开挖关键点之一；基坑开挖范围内存在较厚的淤泥质土，土体性质差；基于以上原因采用盖挖逆作法是本工程基坑开挖的最佳方法。但若采用全逆作方案，利用结构梁板作为支撑，支撑刚度较大，有利于保护周边环境，但基坑内的土方全部采用暗挖，对施工要求较高，出土口面积较小或者数量不够时降低了出土效率，本工程土方量约为84万方，土方开挖为制约工期的重要因素，所以结合本工程的平面布置，采用盖挖逆作与明挖顺作相结合的方法。下面介绍本工程盖挖逆作部分竖向支承体系的立柱及立柱桩的设计过程。
立柱的设计
竖向支承体系设计的最关键问题是如何将在主体结构柱位置设置的钢立柱和立柱桩与主体结构的柱子和工程桩有机的进行结合，使其能够同时满足基坑逆作实施阶段和永久使用阶段的要求。本工程采用支护结构与主体地下结构柱及工程桩全面结合的立柱和立柱桩（一柱一桩）的形式。“一柱一桩”是最基本的竖向支承系统形式，它构造简单，施工相对便捷，在基坑开挖施工结束后可以全部作为永久的结构构件使用，经济性相当好。“一柱一桩”布置时，立柱和立柱桩的定位应与主体结构的柱和工程桩的定位一致。
在基坑逆作开挖实施阶段，立柱和立柱桩承受已浇筑的主体结构梁板自重和施工超载等荷载，本工程施工超载的取值地下一层顶板取50Kpa（考虑大型挖机施工荷载及堆土荷载），地下二、三层顶板取10 Kpa（考虑小型挖机施工荷载）。立柱的形式一般为型钢格构柱和钢管混凝土柱，型钢格构柱在施工期间单独承受结构自重及施工荷载，使用阶段在钢格构柱外配置框架柱钢筋并浇筑混凝土，形成型钢混凝土组合柱，这种作法适用于柱轴力不超过6000kN的情况；钢管混凝土柱采用在钢管中浇筑高强度混凝土，施工便捷、承载力高且经济性好。本工程施工阶段柱底最大轴力的设计值约为：11000 kN，如采用钢格构柱，将导致使用阶段最终完成的框架柱截面过大，影响地下室车位的布置，所以本工程采用钢管混凝土柱。
钢管柱需要在基坑开挖前置入立柱桩孔中，安装完成进行钢管柱内的混凝土浇筑，当混凝土达到一天强度后，用黄砂或碎石填充钢管柱四周至柱顶。在基坑开挖阶段逐层与水平支撑构件（结构的梁、板）完成连接，水平支撑的荷载是由上而下逐步施加于立柱上，立柱承受的荷载逐渐加大，但跨度逐渐减小，应根据实际工况对立柱承载力及稳定性计算,确定钢管混凝土柱尺寸及壁厚。只需验算最底层一跨的立柱的承载能力。同时，基坑开挖到坑底、底板尚未浇筑前，最底一层钢立柱在承受最不利荷载的同时计算跨度也相当大，一般情况下，该工况是钢立柱的最不利工况。经计算，本工程采用直径800mm钢管混凝土柱，钢管壁厚14mm，材质为Q345。基坑逆作施工阶段，在地下室底板浇筑完成、逆作阶段结束以后，与底板连接成整体，作为地下室结构的一部分，将上部结构的荷载传递给立柱桩。
永久使用阶段的受力是施工阶段受力的继续，施工阶段由于柱中心的定位误差、桩身倾斜、基坑开挖时产生位移等，会产生立柱中心偏离设计位置的情况。根据《钢管混凝土结构设计与施工规程》的要求，钢立柱垂直偏差不宜大于1/1000，最大不大于15mm，此规定应用于顺作的钢管柱比较适合；对盖挖逆作的钢管柱来说，很难达到此标准，根据以往工程经验，钢立柱垂直偏差取1/500(30mm)。按照偏心受弯构件进行设计计算。立柱的截面构造应尽量简单，与水平支撑体系的连接节点应便于现场施工。永久使用阶段的荷载取值、柱桩的设计同常规主体结构。
立柱桩的设计
逆作施工阶段，立柱桩必须具备较高的抗压承载能力，同时立柱需要与其下部的立柱桩具有可靠连接，因此工程中多采用大直径的钻孔灌注桩将立柱承担的竖向荷载传递给地基。立柱桩的设计方法与主体结构工程桩相同，立柱桩与土的摩阻力和端阻力承受上部荷载。包括承载力和沉降计算以及立柱与立柱桩的连接节点设计。
本工程结构自重及施工荷载，逆作部分框架柱底最大轴力8600kN，合并考虑基础自重，单桩抗压承载力需要达到11500kN，本工程桩基持力层主要为12-3层中风化泥质粉砂岩和13-3层中等风化晶屑熔结凝灰岩层，有效桩长约28m，若采用直桩，则直径要达到2m。
永久使用阶段，本工程地下水位较高，抗浮水位为6.00m， 施工期间受压的桩转换受力状态为抗拔桩，所以本工程采用大直径扩底桩(AM工法桩)，桩径1.6m，扩底直径2.6m（两次扩底），单桩抗压承载力特征值为12000KN,抗拔承载力特征值为6000KN 。 经过计算分析，满足施工期间抗压要求的桩，使用阶段其抗拔力无法满足抗浮的要求，因此需要加大桩直径或者增加小直径桩解决结构的抗浮问题。如通过调整桩径的方式增加单桩抗拔承载力，AM桩的桩径需达到2m，扩底直径达到3.2m，由于AM桩单方造价较高，与增加小直径桩的方案相比，经济性能差。本工程选用大直径AM工法桩结合小直径扩底桩的方案抗浮，经计算小直径的桩径为0.8m，扩底到1.3m，桩长及持力层同AM桩，单桩抗拔承载力特征值2000kN。
竖向支承系统的连接构造
与水平支撑系统的连接
钢管混凝土柱与后浇梁板的节点连接形式主要有以下两种：（1）双梁结构连接，采用在钢管柱两侧设置钢构牛腿，沿柱两侧分别设纵梁与牛腿刚性连接。这种连接方法的优点是纵梁钢筋能够沿柱两侧贯通而不需断开，受弯性能好。（2）通過抗拉钢板与抗剪钢板连接，通过在钢管柱外套钢套箍，通过高强螺栓与钢管柱连接，钢套箍外焊接抗拉钢板，后浇混凝土的梁、板钢筋遇钢管柱断开，焊接到抗拉钢板和抗剪钢板上，这种节点的优点是整体性好，缺点是节点复杂，施工速度慢。本工程柱网布置比较均匀，所以采用双梁结构连接。
梁柱连接节点图
立柱与立柱桩的连接
常规的钢管柱安装是在支承桩混凝土灌注前安装一个与支承桩直径相同的钢套管，等浇筑的支承桩混凝土达到70%强度后，抽除钢套管内泥浆，采用人工下孔破除桩顶混凝土至永久性钢管柱底标高，定位器安装完毕再安装钢管柱。该施工方法施工周期长、工序复杂，且施工过程中工人要下到孔底进行混凝土的凿除及定位器安装，存在诸多不安全因素，单根钢管柱施工周期长达10～20天，施工成本也较高，存在一定的局限性。
本工程采用HPE液压垂直插入钢管柱工法，通过HPE液压垂直插入机机身上的两个液压垂直插入装置，在支承桩混凝土浇筑后、混凝土初凝前将底端封闭的永久性钢管柱垂直插入支承桩混凝土中，根据钢管柱下部安装的位移传感器反映到电脑上的信号来检测钢管柱的垂直度，保证插入钢管柱的垂直度符合要求，垂直度可达1/500～1/1200，直到插入至设计标高。此工法无需人工下孔作业，首先在很大程度上降低了安全风险； 提高钢管柱安装施工效率，缩短施工工期；
施工中不需长钢护筒护壁，也不用人工埋设定位器等，因而降低了投资成本。
钢管混凝土柱与AM桩连接节点
总结
支护结构与主体结构全面结合的盖挖逆作法工程竖向支承系统受力与施工步序和施工方法密切相关，应按照施工步序分工况进行计算；而且使用阶段的受力是施工阶段受力的继续，在永久使用阶段应考虑在施工过程中产生的内力和变形的影响。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。